大气污染防治

第七章气态污染物控制技术基础（4）气体吸附吸附工艺与设备计算气体催化净化催化作用和催化剂气固催化反应动力学气－固相催化反应器的设计五、催化反应器的设计设计基础1.停留时间决定反应的转化率由催化床的空间体积、物料的体积流量和流动方式决定R/tVQVVRR－－催化剂体积催化剂体积,,mm33QQ－－反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流量,,mm33/h/hεε－－催化床空隙率催化床空隙率,%,%R/tVQVVRR－－催化剂体积催化剂体积,,mm33QQ－－反应气体的实际体积流量反应气体的实际体积流量,,mm33/h/hεε－－催化床空隙率催化床空隙率,%,%2.反应器的流动模型活塞流、混合流实际流态介于两者之间反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异不同停留时间的物料在总量中所占的分率具有相应的统计分布－停留时间分布函数工业上，连续釜式反应器——理想混合反应器；径高比大的固定床——活塞流反应器3.空间速度单位时间通过单位体积催化床的反应物料体积spNR/WQVspRN1//WVQVVRR－－催化剂体积催化剂体积,,mm33QQNN－－标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量,,mm33/h/h接触时间－空间速度的倒数spRN1//WVQVVRR－－催化剂体积催化剂体积,,mm33QQNN－－标态下反应气体体积流量标态下反应气体体积流量,,mm33/h/h接触时间－空间速度的倒数经验计算法将催化床作为一个整体利用经验参数设计通过中间实验确定最佳工艺条件不宜高倍放大Rsp/VQWVVRR－－催化剂体积催化剂体积,,mm33QQ－－反应气体体积流量反应气体体积流量,,mm33/h/hWWSPSP－－空间速度，空间速度，1/1/hh催化剂装量Rsp/VQWVVRR－－催化剂体积催化剂体积,,mm33QQ－－反应气体体积流量反应气体体积流量,,mm33/h/hWWSPSP－－空间速度，空间速度，1/1/hh催化剂装量数学模型法反应的动力学方程＋物料流动方程＋物料衡算＋热量衡算反应热效应小的催化床——等温分布计算ARA00AAAAAA0d[(1)]xnnnixWNrrkCkQNxRTQnPWWRR－－催化剂重量催化剂重量,,kgkgQQ－－气体体积流量气体体积流量,,mm33/h/h－－反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数inARA00AAAAAA0d[(1)]xnnnixWNrrkCkQNxRTQnPWWRR－－催化剂重量催化剂重量,,kgkgQQ－－气体体积流量气体体积流量,,mm33/h/h－－反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数inWWRR－－催化剂重量催化剂重量,,kgkgQQ－－气体体积流量气体体积流量,,mm33/h/h－－反应体系中各种气体分子的总摩尔数反应体系中各种气体分子的总摩尔数in转化率较高的工业反应器，温度分布具有明显的轴向温差轴向等温分布计算ArA0ArA0rA0PARA0A0d()d()()dddxQrVHNxHNHxNCTxVNr－－反应的热效应反应的热效应,,kJ/molkJ/molNN00－－总的衡分子流量总的衡分子流量,,mol/hmol/h－－混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热,,kJ/(molkJ/(mol••K)K)rHPCArA0ArA0rA0PARA0A0d()d()()dddxQrVHNxHNHxNCTxVNr－－反应的热效应反应的热效应,,kJ/molkJ/molNN00－－总的衡分子流量总的衡分子流量,,mol/hmol/h－－混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热,,kJ/(molkJ/(mol••K)K)rHPC－－反应的热效应反应的热效应,,kJ/molkJ/molNN00－－总的衡分子流量总的衡分子流量,,mol/hmol/h－－混合气体的平均定压比热混合气体的平均定压比热,,kJ/(molkJ/(mol••K)K)rHPC))(())((000000xxHCyxxHCNNTTrPArAP总分子数不变的反应体系：对于受内外扩散控制的过程：xAARrdxNV00内扩散控制过程，ŋ为内扩散效率；外扩散控制过程，aeGASKk/11六、固定床反应器1.气固相催化反应器优点:流体接近于平推流，返混小，反应速度较快固定床中催化剂不易磨损，可长期使用停留时间可严格控制，温度分布可适当调节，高选择性和转化率缺点:传热差(热效应大的反应，传热和温控是难点)催化剂更换需停产进行2.气固反应器类型单层绝热反应器结构简单，造价低廉，气流阻力小内部温度分布不均用于化学反应热效应小的场合多段绝热反应器相邻两段之间引入热交换列管式反应器用于对反应温度要求高，或反应热效应很大的场合径向反应器其他反应器薄层床反应器自热式反应器3.固定床的阻力计算颗粒固定床，欧根（Ergun）公式：23semsem(1)150/1.75(1)HvPfdfRdvRΔΔPP－－床层阻力床层阻力,,PaPaHH－－床床高高,,mmvv－－空床流速空床流速,,m/sm/sμμ－－气体粘度气体粘度,,PaPa••ssρρ－－气体密度气体密度,,kg/mkg/m33ddss－－颗粒体积表面积平均直径颗粒体积表面积平均直径,,μμmmεε－－空床孔隙率空床孔隙率,%,%23semsem(1)150/1.75(1)HvPfdfRdvRΔΔPP－－床层阻力床层阻力,,PaPaHH－－床床高高,,mmvv－－空床流速空床流速,,m/sm/sμμ－－气体粘度气体粘度,,PaPa••ssρρ－－气体密度气体密度,,kg/mkg/m33ddss－－颗粒体积表面积平均直径颗粒体积表面积平均直径,,μμmmεε－－空床孔隙率空床孔隙率,%,%实际计算应根据温度和流量的变化，将床层分段计算阻力与床高和空塔气速的平方成正比，即与截面积的三次方成反比与粒径成反比与孔隙率的三次方成反比23s(1)HvPfd4.反应器类型的选择选择原则：根据反应热的大小和对温度的要求，选择反应器的结构类型在满足温度条件的前提下，尽量提高催化剂的装填率，以提高反应设备的利用率尽量降低反应器阻力，降低能耗反应器应易于操作，安全可靠结构简单，造价低廉，运行与维护费用经济